Tudósok felfedeztek valamit, ami még a fénysebességnél is gyorsabb

A fizika világában létezik egy szent és sérthetetlen szabály, amelyet Albert Einstein fektetett le több mint egy évszázaddal ezelőtt: semmi ...

A fizika világában létezik egy szent és sérthetetlen szabály, amelyet Albert Einstein fektetett le több mint egy évszázaddal ezelőtt: semmi sem haladhat gyorsabban a fénynél. Ez a kozmikus sebességkorlát alapozza meg az univerzumról alkotott képünket, az ok-okozati összefüggéseket és az idő múlásának rendjét.

Most azonban a Technion – Izraeli Technológiai Intézet kutatói olyan jelenséget figyeltek meg, amely első ránézésre fittyet hány a modern fizika alapjaira. A Nature folyóiratban megjelent tanulmányukban arról számolnak be, hogy a fényhullámok belsejében rejtőző apró, sötét örvények képesek túlszárnyalni magát a fénysebességet is. (1)

Ez a felfedezés nem egy véletlen mérési hiba eredménye, hanem egy fél évszázados elméleti jóslat első kísérleti bizonyítéka. Az 1970-es években elméleti fizikusok vetették fel azt a különös ötletet, hogy a véletlenszerű hulláminterferencia során keletkező örvények gyorsabban mozoghatnak, mint maga a közeg, amelyben létrejöttek.

Képzeljük el ezt úgy, mintha egy folyó vizében keletkező örvény sebesebben száguldana lefelé a mederben, mint ahogy maga a vízfolyam halad. Bár a jelenség elméletben folyadékokra, hanghullámokra és szupravezetőkre is érvényes, a fény esetében eddig lehetetlen volt megfigyelni a folyamat rendkívüli sebessége és parányi méretei miatt.

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehetséges ez anélkül, hogy Einstein elmélete romba dőlne, tisztáznunk kell, mik is pontosan ezek a "sötét pontok". A kutatók definíciója szerint ezek valójában "nullpontok" vagy fázisszingularitások a fényhullám szerkezetében – olyan helyek, ahol a fény amplitúdója teljesen nullára csökken.

Ezek az örvények nem anyagi tárgyak, nem hordoznak tömeget, és ami a legfontosabb: nem szállítanak információt vagy energiát sem. A relativitáselmélet korlátozása kizárólag az anyag és az információ áramlására vonatkozik. Mivel ezek a sötét foltok tulajdonképpen a fény hiányát jelentik, geometriai értelemben vett mozgásuk átlépheti a bűvös határt anélkül, hogy valódi fizikai törvényt szegnének meg.

A kísérleti bizonyításhoz a Technion csapata egy egészen egyedülálló technológiát hívott segítségül. Egy speciális, ultragyors transzmissziós elektronmikroszkópot kombináltak egy optomechanikai lézerrendszerrel, amely lehetővé tette, hogy nanoszekundumnál is rövidebb pillanatfelvételeket készítsenek a folyamatokról.

A kísérlet kulcsszereplője egy különleges anyag, a hexagonális bór-nitrid (hBN) volt. Ez az anyag képes a fényhullámokat úgynevezett polaritonokká alakítani, amelyek félig fény-, félig hanghullámként viselkednek. A polaritonok lényegesen lassabban haladnak a vákuumbeli fénysebességnél, ami lehetőséget adott a kutatóknak, hogy "lassított felvételen" kövessék nyomon az eseményeket. Ebben a lelassított környezetben tisztán láthatóvá vált, ahogy a sötét örvények valósággal előreugranak, és leelőzik az őket hordozó hullámfrontokat.

Ido Kaminer professzor, a tanulmány társszerzője szerint ez a felfedezés túlmutat a puszta laboratóriumi érdekességen. Úgy véli, hogy az általuk megfigyelt jelenség a természet olyan univerzális törvényeit tükrözi, amelyek minden hullámtípusra érvényesek, a tengeri hullámzástól kezdve a kvantumrendszerekig.

Az elektron-interferometria néven ismert új módszer, amellyel a képek élességét fokozták, egy rendkívül erős technológiai eszközt ad a tudósok kezébe. Ez a technika lehetővé teszi, hogy korábban láthatatlan folyamatokat térképezzenek fel a fizikában, a kémiában és a biológiában, megmutatva a természet leggyorsabb és legrejtettebb pillanatait.

A gyakorlati alkalmazások lehetősége is izgalmas távlatokat nyit meg. A kutatók szerint a szuperluminális (fénynél gyorsabb) korrelációk megértése új utakat nyithat a kvantuminformáció-kódolás, a nanoskálás optika és a szupravezetés területén. Ezek az apró, sötét lyukak a fényben nemcsak a fizika határait feszegetik, hanem a jövő technológiáinak építőkövei is lehetnek.

A felfedezés ismét rámutat arra, hogy bár az univerzum törvényei szigorúak, a természet mindig talál módot arra, hogy a szabályok között táncolva valami olyat mutasson, ami elsőre lehetetlennek tűnik. (2)

(1) - https://www.nature.com/articles/s41586
(2) - https://www.technion.ac.il/en/blog/artic